Litiumbaserade batterier används för att driva de flesta befintliga elfordon, men hur lång tid de kan hålla ett fordon igång innan de behöver laddas är fortfarande något begränsad. I framtiden, högnickelskiktade oxidkatodmaterial kan bidra till att öka räckvidden för elfordon, möjliggör utveckling av billigare och bättre presterande litiumjonbatterier.

Just nu, de flesta kommersiellt tillgängliga litiumjonbatterier använder en betydande mängd kobolt i en av sina elektroder. Ändå är kobolt dyrt och inte särskilt rikligt i naturen, vilket avsevärt ökar tillverkningskostnaderna för litiumbaserade batterier.

Forskare över hela världen har nyligen försökt identifiera nya designstrategier som skulle kunna underlätta den utbredda användningen av dessa batterier, eftersom detta i sin tur skulle kunna sänka priserna på elfordon och öka sannolikheten för att de tas i bruk i stor skala. Detta kan i slutändan uppnås genom att identifiera mer rikliga material som kan användas i litiumbaserade batterier, kommer med nya kompositioner, utveckla nya produktionsprocesser och introducera alternativa konstruktionsdesigner.

I en tidning publicerad i Naturenergi , forskare vid University of Texas i Austin har beskrivit flera designöverväganden för oxidkatoder med hög nickelskikt som skulle kunna implementeras i litiumbaserade batterier under det närmaste decenniet eller så. Deras studie sammanfattar några av de utmaningar som vanligtvis möter när man försöker maximera energiuttaget från högnickelskiktade oxidkatoder, samtidigt som man jämför några nya konstruktioner för att skapa litiumbaserade batterier med en nollkoboltkemi.

"När vi går vidare med elektrifiering av transportsektorn, tillgängligheten och överkomligheten för kobolt kan bli ett hinder för den utbredda kommersialiseringen av litiumjonbatterier, " Arumugam Manthiram, en av forskarna som genomförde studien, berättade TechXplore. "Det viktigaste målet bakom vår studie var alltså att minska eller eliminera kobolt och öka nickel i ett litiumjonbatteris elektrod."

Den viktigaste fördelen med att använda nickel istället för kobolt i elektroder är att det är billigare och lättare att hitta. Dessutom, elektroder med hög nickelhalt uppnår en högre laddningslagringskapacitet, energi densitet, och längre drifttider mellan laddningar än katoder med höga mängder kobolt.

Tyvärr, dock, skiktade oxidkatoder som innehåller stora mängder nickel kan vara mycket svåra att syntetisera samtidigt som de bibehåller en god prestanda. I deras studie, Manthiram och hans kollegor föreslog en rad strategier som skulle kunna optimera dessa nuvarande syntesprocesser.

"Våra mest meningsfulla prestationer är att vi kunde syntetisera elektrodmaterial med hög nickelhalt och lägre kobolthalt med bra prestanda i litiumjonbatterier, " sade Manthiram. "Men, elektrodmaterialen med hög nickelhalt är känsliga för nedbrytning när de utsätts för luft. För närvarande, vi fokuserar på att stabilisera dem för att uppnå bättre stabilitet i luften."

Studien utförd av Manthiram och hans kollegor beskriver ett antal värdefulla designöverväganden som snart skulle kunna möjliggöra utvecklingen av billigare och bättre presterande litiumbaserade batterier med användning av högnickelskiktade oxidkatoder. Forskarna genomförde också en allmän utvärdering av stabiliseringstekniker som potentiellt skulle kunna underlätta den utbredda användningen av litiumjonbatterier, hjälpa länder över hela världen att nå sina fordonselektrifieringsmål.

"Vi fokuserar nu på att ytterligare optimera sammansättningarna och stabiliseringarna av elektrodmaterialen vi utvecklade, liksom att skala upp dem, " sa Manthiram.

© 2020 Science X Network